마이크로프로세서(MPU) 또는 마이크로컨트롤러(MCU)? 다음 설계에 적합한 처리 장치를 선택할 때 고려해야 할 요소는 무엇입니까?
MPU와 MCU는 무엇인가요?
새로운 디자인의 기반이 될 적절한 장치를 선택하는 것은 어려울 수 있습니다. 가격, 성능, 전력 소비 간의 적절한 균형을 맞추는 일은 영향이 다양합니다. 첫째, 설계에 착수할 때 고려해야 할 즉각적인 기술적 사항이 있지만, 해당 장치가 마이크로컨트롤러(MCU) 또는 마이크로프로세서(MPU)인지 여부에 관계없이 다양한 신제품에 대한 플랫폼 접근 방식의 기반이 되는 경우 해당 결정은 장기적인 결과를 초래할 수 있습니다.
먼저, MCU와 MPU의 주요 차이점을 살펴보겠습니다. 일반적으로 MCU는 프로그램을 저장하고 실행하기 위해 칩 내부에 내장된 플래시 메모리를 사용합니다. 이런 방식으로 프로그램을 저장하면 MCU의 시작 시간이 매우 짧아지고 코드를 매우 빠르게 실행할 수 있습니다. 임베디드 메모리를 사용하는 데 유일한 실질적인 제한은 사용 가능한 총 메모리 공간이 유한하다는 것입니다. 시중에 판매되는 대부분의 플래시 MCU 장치는 최대 2MB의 프로그램 메모리를 가지고 있으며, 애플리케이션에 따라서는 이것이 제한 요소가 될 수도 있습니다. MPU는 같은 방식으로 메모리 제약이 없습니다. 프로그램과 데이터 기억장치를 저장하기 위해 외부 메모리를 사용합니다. 프로그램은 일반적으로 NAND나 직렬 플래시와 같은 비휘발성 메모리에 저장되며, 시작 시 외부 DRAM 에 로드된 후 실행을 시작합니다. 즉, MPU는 MCU만큼 빠르게 작동할 수는 없지만 프로세서에 연결할 수 있는 DRAM과 NVM의 양은 수백 Mbytes에 이르며 NAND의 경우 Gbytes까지 가능합니다. 또 다른 차이점은 전력입니다. MCU는 자체 전원 공급 장치를 내장함으로써 단일 전압 전원 레일만 필요합니다. 비교해 보면, MPU에는 코어, DDR 등에 여러 개의 다른 전압 레일이 필요합니다. 개발자는 추가 전원 IC/컨버터를 탑재하여 이를 충족해야 합니다.
애플리케이션의 관점에서 볼 때, 설계 시방서의 일부 측면은 특정 방식으로 기기 선택을 좌우할 수 있습니다. 예를 들어, 주변 장치 인터페이스 채널의 수가 MCU에서 처리할 수 있는 것보다 더 많습니까? 마케팅 시방서에 칩 메모리가 충분하지 않거나 필요한 성능이 부족하여 MCU에서는 불가능한 사용자 인터페이스 기능이 규정되어 있습니까? 첫 번째 디자인을 시작할 때 이를 알고 있다면, 제품이 다양하게 변형될 가능성이 매우 높습니다. 그런 경우 플랫폼 기반 디자인 접근 방식이 선호될 가능성이 매우 높습니다. 이를 통해 향후 기능 업그레이드를 수용하기 위해 처리 능력과 인터페이스 성능 측면에서 더 많은 "여유 공간"을 규정하게 됩니다.
결정하기 어려운 속성 중 하나는 주어진 설계에 필요한 처리 성능입니다. Dhrystone MIPS(DMIPS)로 측정한 처리 능력은 이러한 기준을 정량화하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, Atmel의 SAM4 MCU와 같은 ARM Cortex-M4 기반 마이크로컨트롤러는 150 DMIPS로 평가되는 반면, Atmel의 SAMA5D3와 같은 ARM Cortex-A5 애플리케이션 프로세서(MPU)는 최대 850 DMIPS를 제공할 수 있습니다. 필요한 DMIPS를 추정하는 한 가지 방법은 성능을 많이 요구하는 응용 부분을 살펴보는 것입니다. Linux, Android 또는 Windows CE와 같은 전체 운영 체제(OS)를 애플리케이션에 실행하려면 최소 300~400 DMIPS가 필요합니다. 많은 애플리케이션의 경우 간단한 RTOS로 충분할 수 있으며, 50DMIPS면 충분합니다. RTOS를 사용하면 메모리 공간이 거의 필요하지 않다는 이점이 있습니다. 일반적으로 커널은 몇 KB에 불과합니다. 안타깝게도 전체 OS를 실행하려면 메모리 관리 장치(MMU)가 필요합니다. 이 때문에 사용할 프로세서 코어 유형이 지정되고 더 큰 프로세서 성능이 요구됩니다.
숫자 처리 집약적인 애플리케이션을 실행하려면 모든 OS와 기타 통신 및 제어 작업에 더해 DMIPS 허용량을 예약해야 합니다. 애플리케이션이 숫자 기반일수록 MPU가 필요할 가능성이 높습니다.
마이크로컨트롤러와 마이크로프로세서 애플리케이션 비교
의도된 애플리케이션이 가전제품을 대상으로 하든 산업 자동화를 대상으로 하든, 사용자 인터페이스(UI)는 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다. 소비자로서 우리는 다채롭고 직관적인 그래픽 UI를 사용하는 데 익숙해지고 편안함을 느낍니다. 산업용 애플리케이션에서는 이러한 작업자 상호 작용 방식을 점점 더 많이 사용하고 있지만, 운영 환경에 따라 이러한 방식이 얼마나 적절한지는 제약받을 수 있습니다. UI에는 여러 가지 요소가 있습니다. 첫째, 처리 오버헤드가 필요합니다. Linux에서 널리 사용되는 Qt와 같은 UI 라이브러리의 경우 80~100 DMIPS의 오버헤드가 충분할 수 있습니다. 두 번째 요인은 UI의 복잡성과 관련이 있습니다. 애니메이션, 효과, 멀티미디어 콘텐츠가 많을수록, 표시할 이미지에 적용할 변경 사항이 많을수록 더 많은 처리 능력과 메모리가 필요합니다. 이러한 요구 사항은 해상도에 따라 확대되므로 UI 중심으로 설계된 애플리케이션에는 MPU가 더 적합합니다. 반면, 낮은 해상도의 화면에 의사 정적 이미지를 사용한 더 간단한 UI는 MCU로 해결할 수 있습니다. MPU를 지지하는 또 다른 주장은 일반적으로 내장형 TFT LCD 컨트롤러가 장착되어 제공된다는 것입니다. 이런 기능을 갖춘 MCU는 거의 없습니다. TFT LCD 컨트롤러와 일부 다른 외부 드라이버 구성 요소를 외부에 추가해야 합니다. 따라서 MCU로 구현하는 것이 가능하더라도 개발자는 전체 BOM을 살펴봐야 합니다. 일부 플래시 MCU는 TFT LCD 컨트롤러를 내장하여 시장에 출시되고 있지만, 여전히 디스플레이를 구동하기 위해 충분한 내장형 SRAM 메모리가 있어야 합니다. 예를 들어, QVGA 320 x 240 16색 형식은 디스플레이에 데이터를 공급하고 새로 고치려면 150kB의 SRAM이 필요합니다. 할당하기에는 상당히 많은 양의 SRAM이므로 BOM에 추가 메모리가 필요할 수 있으며, 추가 메모리가 MPU 솔루션과의 격차를 좁히는 데 기여할 수 있습니다. 더욱 복잡하고 진보된 그래픽 UI, 특히 4.3인치보다 큰 화면을 사용하는 경우에는 MPU가 필요합니다. 컬러 TFT 화면에서 UI를 실행하는 데는 MPU가 우세한 반면, 세그먼트 또는 도트 매트릭스 LCD 제어와 직렬 인터페이스가 있는 다른 화면의 경우 MCU가 왕입니다.
장치 연결
연결성 관점에서 볼 때, 대부분의 MCU 및 MPU 장치는 모든 일반적이고 널리 사용되는 주변 장치 인터페이스와 함께 사용 가능합니다. 하지만 HS USB 2.0, 여러 개의 10/100 이더넷 포트, 기가비트 이더넷 포트와 같은 고속 통신 주변 장치는 일반적으로 MPU에만 있는데, 그 이유는 이러한 장치가 대량의 데이터를 처리하는 데 더 적합하기 때문입니다. 데이터 트래픽을 처리할 만큼 적합한 채널과 대역폭이 충분한지 여부는 핵심 질문입니다. 사용하는 통신 프로토콜에 따라 타사 스택을 사용할 때 코드 공간에 미치는 영향을 확인해야 합니다. 특히 OS 기반 스택을 사용하는 것과 함께 고속 연결을 요구하는 애플리케이션에는 MPU 기반 설계가 필요합니다.
MCU와 MPU 중 어떤 것을 선택할지 결정하는 또 다른 핵심 요소는 애플리케이션의 실시간/결정론적 동작이 필요하다는 것입니다. MCU에 사용되는 프로세서 코어와 내장형 플래시, 그리고 RTOS나 베어 메탈 C 소프트웨어를 고려할 때, MCU는 확실히 이 측면에서 선두를 차지할 것이며 시간이 가장 중요하고 결정론적인 애플리케이션을 완벽하게 처리할 것입니다.
MPU 및 MCU의 전원 모드 및 성능
고려해야 할 마지막 사항은 전력 소비입니다. MPU에는 저전력 모드가 있지만 일반적인 MCU에서 볼 수 있는 것처럼 모드가 많거나 전력 수준이 낮지는 않습니다. 외부 하드웨어가 MPU를 지원하는 경우 추가적인 요소가 생기며, MPU를 저전력 모드로 전환하는 것도 약간 더 복잡해질 수 있습니다. 또한 MCU의 실제 소비량은 MPU보다 크게 낮습니다. 예를 들어 SRAM과 등록 보존 기능이 있는 저전력 모드에서는 10~100배 가량의 차이를 고려할 수 있습니다. 이는 운영 체제에 필요한 RAM 용량과 직접적으로 관련이 있으며, 따라서 즉시 작업을 재개할 수 있도록 전원이 공급되어야 합니다. MCU 또는 MPU 기반 접근 방식을 선택하는 데에는 여러 가지 결정이 필요하며 여기에는 성능, 기능 및 BOM 예산이 포함됩니다. 대체로 MCU는 BOM에 대한 엄격한 통제와 전력 절감이 필수적인 비용 최적화 솔루션에 사용되는 경향이 있습니다. MPU는 기능이 풍부하고 성능이 뛰어난 애플리케이션에 사용되는 경향이 있습니다. MCU는 일반적으로 원격 제어, 가전 제품, 스마트 미터와 같은 초저전력 애플리케이션에 사용되는 경향이 있는데, 이러한 애플리케이션의 설계는 배터리 수명을 늘리고 UI 상호 작용이 거의 없거나 전혀 없도록 하는 데 중점을 둡니다. 또한, 매우 결정론적인 행동이 필요한 경우에도 사용됩니다. MPU는 컴퓨팅 집약적이고 여러 개의 고속 연결이나 풍부한 UI가 필요한 OS 기반 산업 및 소비자 애플리케이션에 이상적입니다.
손쉽게 상위 및 하위로 마이그레이션하고 소프트웨어 재사용을 극대화할 수 있는 높은 호환성의 MCU 및 MPU 제품을 제공하는 공급업체를 선택하면 시간이 지남에 따라 투자 수익률이 가장 좋습니다.
